Vermehrungsmechanismen von Tier-assoziierten Bakterien

Bis dato beschränkte sich die Erforschung der molekularen und zellulären Maschinerie der bakteriellen Zellteilung hauptsächlich auf Modellbakterien wie z.B.: Escherichia coli. Auf der anderen Seite existieren nur wenige zellbiologische Studien zu Bakterien in ihrem natürlichen Habitat einschließlich jener, die auf der Oberfläche von Tieren leben. Vier gammaproteobakterielle Phylotypen reproduzieren sich atypisch: die stäbchenförmigen Symbionten von Laxus oneistus und Robbea hypermnestra wachsen in die Breite und positionieren ihren sich zusammenziehenden Ring entlang ihrer Längsachse. Der Symbiont von Eubostrichus fertilis teilt sich praktisch bei jeder Länge zwischen 4 und 45 m was zu einer noch nie zuvor beobachteten 10-fachen Längenvariation in derselben Population führt. Der Symbiont von Eubostrichus dianeae wiederum wird bis zu 120 m lang und teilt sich mittels binärer Zellteilung, und ist somit bis jetzt das längste Bakterium, das sich auf diese Weise teilen kann. In diesem Forschungsprojekt wollen wir die molekularen und zellbiologischen Mechanismen, die für Wachstum und Zellteilung von auf Tieren lebenden, nicht-Modell Gammaproteobakterien zuständig sind, untersuchen. Das übergeordnete Ziel ist die Identifizierung der essentiellen Wachstums- und Septum-Positionierungsmechanismen, die bei allen Gammaproteobakterien konserviert sind, einer Gruppe von Mikroorganismen von höchster ökologischer und medizinischer Bedeutung. Wir werden diese Fragen angehen, indem wir die Zellteilungsproteine in zellfreien System studieren und eine weite Palette an klassischen als auch modernsten Mikroskopietechniken einsetzen (z.B.: Selektive Plane Illumination Mikroskopie mit lebenden Tier-Bakterien-Konsortia, 3D Structured Illumination Mikroskopie, cryo-EM und Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie).

Wachstum und Zellteilung von Bakterien sind bisher nur bei einem Dutzend kultivierbarer Arten untersucht worden, obwohl schätzungsweise Millionen von ihnen auf unserem Planeten leben. Diese Wissenslücke gilt es dringend zu füllen, wenn wir evolutiv konservierte Mechanismen der Zellreproduktion begreifen wollen. Deshalb untersuchten wir die Reproduktionsstrategien von Thiosymbion, einer Gruppe, die nicht zu den klassischen Modellorganismen gezählt wird, und ausschließlich auf der Oberfläche von Tieren vorkommen (Ektosymbionten). Im Speziellen entdeckten wir bei sich längs teilenden Thyiosymbion, dass: 1) die Bildung des Septums nur an einem Zellpol beginnt, sodass ein Ring des Tubulin-Homologs FtsZ nicht erforderlich ist; 2) nicht nur die bakterielle Zellteilung, sondern auch das Zellwachstum in Richtung des Wirts gepolt sein kann; 3) das Aktin-Homolog MreB während des gesamten Zellzyklus mittig ist und seine Polymerisation für die FtsZ-Polymerisation in Zellmitte und die Bildung des Septums erforderlich ist; 4) ein zweidimensionaler Segregationsmodus die Orientierung der Symbionten-Chromosomen in Richtung des Wirts aufrechterhält. Wir vermuten, dass diese außergewöhnlichen zellbiologischen Eigenschaften Anpassungen an den symbiotischen Lebensstil sind. Die Entwicklung von Kultivierungsverfahren der Symbionten und von Genmanipulations-/Protein-Bildgebungsverfahren sind im Einsatz, um zu beweisen, dass zellbiologische Anpassungen wie die longitudinale Teilung oder die feste Chromosomenkonfiguration für die Etablierung oder Aufrechterhaltung der Symbiose erforderlich sind.